近期,SFAE牟翠华工程师撰写的关于EMC专题的文章在国家期刊《安全与电磁兼容》成功发表,这是公司电柜生产部首篇在期刊发表的关于电柜方面的专业文章。
文章中牟工强调了EMC分区概念的重要性,她指出:“保证电气设计可靠性的重要原则就是电气设计人员在电控柜设计之初就需要建立电气分区的概念,即把强电部分和弱电部分尽量分置在两个不同的区域,比如将交流380 V的动力回路要和直流24 V的信号回路分开。在分区时,需要把握的原则是动力线和信号线间距不能低于200 mm,可将动力部分的开关接触器、滤波器变频器等放置在电控柜的一侧,而电控柜的另一侧是逻辑控制元件(包括PLC、继电器等),避免动力回路产生的高频电磁干扰影响到信号区域的逻辑信号。”这是CEPD 电柜知识体系的重要组成部分,也是电柜部门的核心经验。
并且牟工还通过EMC的屏蔽应用,接地方式,浪涌吸收回路三个方面,结合自身多年工作经验和实例,图文并茂的阐述了 SFAE电柜在EMC方面的 Know how 和经验,通过这篇文章,作者希望让更多的读者和技术人员了解电控柜是电气、逻辑控制元件的载体和保护体,一个可靠的电气系统离不开可靠稳定的电控柜并不是简单的把元器件堆砌在一起的一个无机体。同时通过这篇文章可以让更多人了解到SFAE电柜博大精深的工匠精神。
以下是文章的一些节选:
变频电控柜的基本EMC措施
摘要:主要介绍了电控柜分区的概念及具体方法;介绍了屏蔽支架使用、电控柜接地及孔缝密封的正确方式,并对电控柜浪涌吸收回路进行了说明。
关键词:电磁兼容;屏蔽;分区;孔缝;浪涌
引言
电控柜是电气、逻辑控制元件的载体和保护体,一个可靠的电气系统离不开可靠稳定的电控柜。要保证逻辑控制元件、变频器之间的正常运行,提高整个电气系统的稳定性,需降低电控柜内的电磁干扰。笔者在实际应用中,经常会遇到客户简单地认为电气柜无非就是一个柜体,从而忽略电磁兼容性设计,导致电控柜内PLC模拟量信号不准,莫明电气故障频繁等问题。本文主要针对西门子变频系列电控柜提出一些设计措施,避免不必要的故障的产生。
1 分区的概念
保证电气设计可靠性的重要原则就是电气设计人员在电控柜设计之初就需要建立电气分区的概念,即把强电部分和弱电部分尽量分置在两个不同的区域,比如将交流380 V的动力回路要和直流24 V的信号回路分开。在分区时,需要把握的原则是动力线和信号线间距不能低于200 mm,可将动力部分的开关接触器、滤波器变频器等放置在电控柜的一侧,而电控柜的另一侧是逻辑控制元件(包括PLC、继电器等),避免动力回路产生的高频电磁干扰影响到信号区域的逻辑信号。图2为某机床厂出口型电控柜布局实例,电控系统的动力部分(变频系统)及主进开关放置在了电控柜左侧,PLC部分放置在右侧,保证了电控柜内部电气系统的正常运行。
图1 动力区与信号区分区实例
2 屏蔽应用
屏蔽技术主要是用来抑制电磁噪声沿着空间的传播,即通过金属材料或者磁性材料使之能够切断辐射电磁噪声的传输途径。通常电控柜抑制电磁噪声的方法有如下几种。
(1)屏蔽电缆的使用
在设备运行中,由于寄生电容存在于电机电缆和电机内部,变频器脉宽调制(PWM)的输出电压波形通过寄生电容可产生高频脉冲噪声电流。当噪声电流通过大地阻抗和动力电缆和地之间的阻抗流回变频器时,产生的电压降就对同一电网的其它设备造成了干扰,即共阻抗干扰,如图2所示。
采用屏蔽电机电缆可避免这种干扰——电缆的屏蔽层连接到变频器的外壳和电机外壳时,屏蔽层就变成高频电流流回变频器的有效通道,可避免共阻抗干扰。为了满足EMC产品标准EN 61800-3的C2和C3类的要求,电动机电缆最好是对称三芯屏蔽电缆,如图3所示。
图2 带有屏蔽电缆的变频回路
图3 理想对称3芯线+对称3芯PE线
(2) 屏蔽安装支架的使用
一般来说,电缆360°屏蔽搭接可通过EMC电缆密封套使电缆屏蔽层与电动机端子接线盒实现,在变频柜内也可以按照制造商手册的规范,将屏蔽层360°有效接触在特制的金属屏蔽支架上或金属卡子上,如图4(a)所示,避免采用“猪尾巴”连接至PE母线或PE端子,如图4(b)所示。经验表明:在30MHz以上时,“猪尾巴”为1 cm、3 cm和5 cm的情况下,屏蔽电缆的屏蔽效果将分别下降30%、50%和70%。图5分别列出了使用屏蔽板和梳形屏蔽排固定电缆的正确的使用方式。
图4 电控柜内电缆接驳实例
图5 电缆屏蔽支架正确连接示意图
(3)孔缝的防护
在电控柜的实际应用中,没有完全密封的电控柜,总会有通风孔、线孔等。预防电控柜内动力区对信号区的干扰,应将未使用的预留孔用金属薄片密封起来,如图6所示。
图6 电控柜开孔密封实例
4 接地方式
在笔者为某机床公司调研一款机床电控柜时,就发现了原电控柜诸多不合理的部分,第一,接地的导线很细,如图7所示,,按照GB5226.1国家机械设备电气标准要求,规定接地的导线一定要大于6 mm2,而且用尽可能短的金属编织带;第二,除了柜门接地外,其余机柜部件均没有接地。按照EMC要求,凡是安装带电体的机柜部件均需接地,比如除在高、中、低三个位置与电控柜相连外,电控柜照明灯的顶板也需与电控柜的框架相连,侧板如有器件安装也需与电控柜框架相连或与中心地排相连。(如图8所示)
图7 错误的电控柜接地示例
图8 电控柜接地正确示意
5 浪涌吸收回路
电控柜中的开关接触器元件需要使用浪涌吸收抑制器,这是因为这些设备如果没有浪涌吸收单元可能会产生瞬时尖峰脉冲电压,而整个放电过程甚至可以持续250 ms。下面以4 kV浪涌输入为例,例举几种常见方法抑制尖峰脉冲的效果:
(1)压敏电阻
如图9所示,当交流回路负载并接了压敏电阻时(西门子型号:3RT6926-1BD00),虽然瞬时电压尖峰仍然存在,但峰值不到400 V,而且整个放电持续时间不到50 ms。
图9 压敏电阻抑制浪涌的效果
(2)RC吸收电路
如图10所示,当交流回路负载并接RC串联单元时(西门子型号:3RT6926-1CD00),瞬间脉冲的伏值和电压上升的速率明显降低,没有出现明显的脉冲群。电压上升后缓慢衰减的趋势较为理想。
图10 RC元件抑制浪涌的效果
(3)直流二极管
如图11所示,在直流回路中并接二极管时(西门子型号:3RT6926-1ER00),几乎没有出现过压的情况,但二极管方法只适用于直流回路。
图11 直流二极管抑制浪涌的效果
6 结语
本文只是简要的介绍了电磁兼容在电控柜里的设计及采用的一些主要措施,还需要具体问题具体分析。也希望通过此文,引起电气设计人员对变频电控柜设计和布局的重视,提高电气系统的稳定性。
参考文献
[1] 沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京:中国电力出版社.1999.